Autotrophe vs. heterotrophe Ernährung: Unterschiede, Zusammenhänge
Die autotrophe und heterotrophe Ernährung sind zwei Möglichkeiten, um organismenfremde Stoffe aufzunehmen, diese in den Stoffwechsel einzuschleusen, um daraus Energie zu gewinnen. Alle Lebewesen betreiben entweder eine heterotrophe oder eine autotrophe Ernährung, um Ausgangsstoffe aufzunehmen.
Inhalt
- 1 Unterschiedlicher Stoffeinsatz
- 2 Unterschiedliches Vorkommen
- 3 Unterschiedliche Merkmale
- 4 Photosynthese als Beispiel eines autotrophen Ernährungsvorgangs
- 5 Der Citratzyklus als Beispiel für einen autotrophen und heterotrophen Stoffwechselprozess
- 6 Zusammenhang und Unterschiede zwischen autotropher und heterotropher Ernährung
- 7 Fazit
Unterschiedlicher Stoffeinsatz
Die Autotrophie beschreibt eine Ernährungsform, bei der die lebensnotwendigen organischen Moleküle aus anorganischen Substanzen gewonnen werden. Diese Form der „Selbsternährung“ lässt sich in zwei Formen gliedern – die Photoautotrophie und die Chemoautotrophie.
Bei der Photoautotrophie, zu der die Photosynthese zählt, dient Licht als Energiequelle, während bei der Chemoautotrophie die notwendige Energie gewonnen wird, indem Stoffwechselprozesse die benötigte Energie bereitstellen. Eine weitere Bezeichnung für die Chemoautotrophie ist „Litotrophie“ (Ernährung aus Steinen).
Die Heterotrophie ist aus der Autotrophie hervorgegangen, da die notwendigen organischen Verbindungen zunächst gebildet werden mussten. Während der Heterotrophie werden organische Substanzen mithilfe verschiedener Enzyme abgebaut, wobei Energie frei wird. Diese Energie wird wiederum benötigt, um die abgebauten Moleküle wieder zu anderen Molekülen umzubauen.
Unterschiedliches Vorkommen
Die Autotrophie beschränkt sich auf Organismen, die als Primärproduzenten bezeichnet werden. Die Photoautotrophie wird überwiegend von Pflanzen, Algen und Bakterien genutzt. Die photoautotrophen Bakterien sind vor allem Cyanobakterien und Schwefelpurpurbakterien.
Wie bereits erwähnt findet bei der Chemoautotrophie die Energiegewinnung aus anorganischen Substanzen statt. Vollführt wird die Chemoautotrophie vorwiegend von Bakterien und Archaaen. Zu ihnen zählen nitrifizierende Bakterien und methanbildende Bakterien.
Alle Tiere und Pilze ernähren sich heterotroph. Darüber hinaus existieren einige Bakterienarten, die sich heterotroph ernähren. Sofern sich Organismen von lebenden organischen Stoffen ernähren, werden sie als Konsumenten bezeichnet. Im Falle des Abbaus von totem organischen Material werden die Konsumenten als „Destruenten“ bezeichnet.
Darüber hinaus existiert eine Mischform der heterotrophen und autotrophen Ernährungsweise, bei der beide Prozesse wahlweise aktiviert werden können. Ein Beispiel hierfür sind die Geißelalgen der Gattung Euglena. Auch fleischfressende Pflanzen sind befähigt, organisches Material mithilfe von Verdauungsenzymen abzubauen, während ihre Blätter photosynthetisch und damit autotroph aktiv sind.
Unterschiedliche Merkmale
Die Merkmale der Auto- und Heterotrophie unterscheiden sich in einigen Punkten, dennoch weisen sie einige Gemeinsamkeiten auf. Insbesondere bei der Wahl der Kohlenstoffquelle fällt auf, dass autotrophe Organismen vorwiegend CO2 (Kohlenstoffdioxid) und Carbonat-Ionen verwerten, während heterotrophe Organismen hauptsächlich verschiedene Zucker als Kohlenstoffquelle nutzen.
Photoheterotrophe Organismen wie die Arten der Gattung Euglena können sowohl CO2 als auch diverse Zucker als Kohlenstoffquelle verwenden.
Die meistbedeutenden Stoffwechselwege der Autotrophie sind der Calvinzyklus, der Wood-Ljungdahl-Weg, der reverse Citratzyklus und die Pyruvatcarboxylierung.
Die Stoffwechselwege der heterotrophen Organismen sind vielfältiger, da ihnen eine größere Anzahl an Naturstoffen zur Energiegewinnung zur Verfügung stehen. Hierzu zählen u.a. die alpha- und beta-Oxidation von Fettsäuren, die Glykolyse, die Gluconeogenese, die anaerobe Gärung, der Citratzyklus und die Atmungskette.
Sowohl bei autotrophen als auch bei heterotrophen Organismen ist der Citratzyklus einer der wichtigsten Stoffwechselwege, da er ein Zwischenprodukt anderer Abbauprozesse von bspw. Fetten, Zuckern, Alkoholen oder Aminosäuren verwendet, um daraus Energie zu gewinnen. Dieses Zwischenprodukt ist das Acetyl-CoA (Acetyl-Coenzym A).
Acetyl-CoA wird unter anderem während der oxidativen Decarboxylierung von Pyruvat gebildet. Das Pyruvat fällt während dem anaeroben Stoffwechselprozess der Glykolyse an. Werden Aminosäuren wie z.B. L-Alanin abgebaut, wird hierbei auch Pyruvat gebildet.
Im Mitochondrium findet die oxidative Decarboxylierung schlussendlich statt, wobei der Enzymkomplex der Pyruvatdehydrogenase das CO2 abspaltet (Decarboxylierung). Gleichzeitig wird die SH-Gruppe des Coenzyms A mit dem Acetylrest des Pyruvats verbunden. Da das mittlere Kohlenstoffatom während dieser Reaktion oxidiert wird (ein Elektron abgibt), heißt dieser Prozess „oxidative Decarboxylierung“.
Etwas ähnliches geschieht bei der beta-Oxidation der Fettsäuren. Hierbei werden immer zwei Kohlenstoffatome in Form von Acetyl-CoA abgespalten. Diese Reaktion wird ebenfalls in der Mitochondrienmatrix absolviert.
Es stellt sich heraus, dass die zwei prägnantesten Stoffwechselwege die Photosynthese (autotroph) und der Citratzyklus (sowohl autotroph als auch heterotroph) sind. Die Photosynthese ist mitunter der für das gesamte Leben wichtigste Prozess.
Photosynthese als Beispiel eines autotrophen Ernährungsvorgangs
Der Prozess, der der Photosynthese zugrunde liegt, ist die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Die chemische Energie wird daraufhin in Folgeschritten zum Aufbau organischer Moleküle wie z.B. Zucker verwendet. Die Ausgangssubstanzen für diesen Aufbau organischer Substanzen sind jedoch die anorganischen Moleküle Wasser (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2).
Die entstehenden organischen Substanzen werden vom jeweiligen autotrophen Lebewesen aufgenommen und integriert, weshalb man hierbei von einer Assimilation spricht. Je nachdem welche Endprodukte bei der Photosynthese entstehen, wird sie entweder als oxygene oder als anoxygene Photosynthese bezeichnet.
Die oxygene Photosynthese bildet, wie der Name vermuten lässt, Sauerstoff. Die anoxygene Photosynthese bildet hingegen elementaren Schwefel oder andere anorganische Moleküle. Insbesondere die oxygene Photosynthese legt den Grundstein der Ernährungsebenen, wodurch nahezu sämtliches heterotrophes Leben nicht ohne die Photosynthese existieren könnte. Letztendlich kann auch die Bildung der Atmosphäre auf die oxygene Photosynthese zurückgeführt werden.
Der Ablauf der Photosynthese
Allgemein lässt sich der Ablauf der Photosynthese in drei Phasen gliedern. Während der ersten Phase wird die Energie der elektromagnetischen Strahlung (Licht) mithilfe verschiedener Pigmentmoleküle absorbiert. Die Pigmentmoleküle beinhalten die Chlorophylle, Carotinoide und viele mehr.
Im Laufe der zweiten Phase finden Redoxreaktionen statt, bei denen die Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt wird. Die Elektronenübertragung wird hierbei ermöglicht, da diese zuvor durch die Photonen des Lichts in einen energiereicheren Zustand versetzt wurden. Diese beiden Phasen werden aufgrund der Lichtabhängigkeit auch als lichtabhängige Reaktionen bezeichnet. Örtlich sind sie auf die Photosysteme 1 und 2 der Chloroplasten beschränkt.
Die dritte Phase der Photosynthese kann auch ohne den Einfluss des Lichts stattfinden. Hierbei wird die chemische Energie aus den zwei vorangegangenen Phasen dazu genutzt, energiereichere organische Verbindungen aufzubauen. Somit wird der Pflanze das Wachstum sämtlicher Organe ermöglicht. Ebenso kann die gespeicherte Energie auch für andere Prozesse des Energiestoffwechsels genutzt werden. Geht man von der oxygenenen Photosynthese aus, so kann diese zusammenfassend mit einer Gleichung beschrieben werden. Diese lautet: 6CO2 + 6 H2O + Lichtenergie wird zu C6H12O6 + 6 O2.
Nach der sehr kurzen Beschreibung der Photosynthese soll nebst dieser der Citratzyklus erläutert werden.
Der Citratzyklus als Beispiel für einen autotrophen und heterotrophen Stoffwechselprozess
Wie eingangs erwähnt, wird von verschiedenen Stoffwechselwegen das Acetyl-CoA für den Citratzyklus zur Verfügung gestellt. Sie werden als anaplerotische Stoffwechselwege bezeichnet, da sie ein Substrat dem Citratzyklus zuführen. Bei Eukaryoten (Zellen mit echtem Zellkern) läuft der Citratzyklus in den Mitochondrien ab, während er bei Prokaryoten (ohne echten Zellkern) im Cytoplasma abläuft.
Da der Citratzyklus sowohl anabolen (aufbauenden) als auch katabolen (abbauenden) Stoffwechselwegen dienen kann, wird er als amphibol bezeichnet. Findet bei aeroben Lebewesen die Atmungskette statt, so wird der Citratzyklus dieser vorgeschaltet. Er steht somit zwischen der oxidativen Decarboxylierung und der Endoxidation.
Der Ablauf des Citratzyklus
Die Ausgangsmoleküle für den Citratzyklus sind Oxalacetat und Acetyl-CoA. Diese werden vom Enzym Citratsynthase miteinander verknüpft. Gleichzeitig wird eine Hydrolyse (Wasserabspaltung) durchgeführt, woraufhin Citrat entsteht. Dieses Citrat kann bei Bedarf aus dem Zyklus entfernt werden, um der Fettsäuresynthese zugeführt zu werden.
Das Enzym Aconitase isomerisiert im weiteren Verlauf des Citratzyklus das Citrat zu Isocitrat. In weiteren Schritten wird das Isocitrat mithilfe des Enzyms Isocitrat-Dehydrogenase sowohl oxidiert als auch decarboxyliert. Hierbei wird ein Molekül NADH (universeller Energieträger) frei und alpha-Ketoglutarat gebildet. Dieses ist für die Aminosäuresynthese wichtig. Im nächsten Reaktionsschritt wird das alpha-Ketoglutarat zu Succinyl-CoA umgewandelt. Diese Reaktion wird von der alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase katalysiert.
Nebenprodukte dieser Reaktion sind ein Molekül NADH und ein Molekül CO2. Das Succinyl-CoA wird mithilfe der Succinyl-CoA-Synthetase zu Succinat umgewandelt, wobei aus einem Molekül Guanosindiphosphat (GDP) unter Verknüpfung eines Phosphatrests ein Molekül Guanosintriphosphat (GTP) entsteht. GTP ist dem ATP sehr ähnlich und fungiert ebenfalls als universeller Energieträger.
Weiterhin wird das Succinat über die Succinat-Dehydrogenase zu Fumarat umgewandelt, wobei ein Molekül FADH2 frei wird, das ebenfalls als Energieträger genutzt wird. Aus dem Fumarat wird mittels Fumarase ein Molekül Fumarase gewonnen. Hierzu wird ebenfalls ein Molekül Wasser benötigt. Aus dem L-Malat lässt sich das Ausgangsprodukt des Citratzyklus, das Oxalacetat, zurückgewinnen, indem die Malat-Dehydrogenase diese Reaktion katalysiert. Somit ist der Citratzyklus kreisförmig abgeschlossen und kann somit von vorne beginnen.
Zusammenhang und Unterschiede zwischen autotropher und heterotropher Ernährung
Bei den Fragen, ob es zwischen der autotrophen und der heterotrophen Ernährungsweise Unterschiede und Gemeinsamkeiten gibt, lassen sich beide Fragen mit ja beantworten. Beide Ernährungsformen sind grundlegend bei der Energiegewinnung und dem Wachstum des jeweiligen Organismus beteiligt.
Der grundlegende Unterschied zwischen der autotrophen und der heterotrophen Ernährungsweise liegt in der Energiegewinnung und deren Weiterverwendung. Alle autotrophen Organismen, seien sie nun photoautotroph oder chemoautotroph, müssen zunächst aus anorganischen Molekülen organische Moleküle synthetisieren. Dies geschieht bei der Photoautotrophie überwiegend mithilfe der Photosynthese.
Aus der Autotrophie gehen die ersten organischen Substanzen hervor, die von heterotrophen Organismen als Nahrung verwendet werden. Die niedrigste Trophieebene der Heterotrophie wird von den Herbivoren (Pflanzenfressern) gebildet, da sie sich ausschließlich von Pflanzen und deren Bestandteilen ernähren.
Die nächste Ebene bilden die ersten Carnivoren (Fleischfresser), die sich von kleineren Tieren wie z.B. Insekten ernähren. Daran schließen sich die Raubtiere an, die die bisherigen Carnivoren als Nahrung verzehren. Somit können sowohl die autotrophe als auch die heterotrophe Ernährungsweise als Grundstein einer nächsthöheren Trophieebene angesehen werden.
Darüber hinaus existieren auch Arten, die sowohl eine autotrophe als auch eine heterotrophe Lebensweise aufweisen. Hierunter fällt bspw. die Gattung Euglena (Augentierchen). Sie kann bei ausreichendem Licht Photosynthese betreiben und bei Lichtmangel schaltet sie ihren Stoffwechsel auf die heterotrophe Art um, wobei sie organische Substanzen aus ihrem umgebenden Milieu aufnimmt und weiter verdaut.
Fazit
Die autotrophe und heterotrophe Ernährungsweise stellen zwei grundlegend unterschiedliche Stoffwechselprozesse dar, die jedoch in vielerlei Hinsicht Gemeinsamkeiten aufweisen. Der grundlegende Unterschied ist die Verwendung der Ausgangssubstanzen zur Energiegewinnung und dem weiteren Stoffwechsel.
Bei der Autotrophie sind die Ausgangsstoffe anorganischer Natur, während sie bei der Heterotrophie organischer Natur sind. In weiteren Schritten werden jedoch aus beiden Formen der Ausgangssubstanzen organische Moleküle gebildet – sei es Zucker bei der Photosynthese oder andere Produkte bei anderen Stoffwechselwegen.
Durch die autotrophe Ernährungsweise konnte einerseits die Atmosphäre gebildet werden, wie wir sie heute kennen, andererseits entstehen durch sie viele andere ökologische Faktoren wie z.B. Trophieebenen oder Räuber-Beute-Beziehungen.
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